尼日尔Iullemmeden盆地上部高原地区含水层边界及其关系的精细尺度测绘

非洲旱区伊乌莱梅登盆地含水层空间分布与水力关系研究，采用时域电磁法与磁共振声纳联合探测，揭示Quaternary冲积含水层与Upper Cretaceous砂泥岩层、Paleocene石灰岩层及Oligocene砂岩层的水力连通性，确定Oligocene砂岩层东界较前人研究扩展约20公里，有效孔隙率4%-37%，透水性10⁻⁴-2×10⁻³ m²/s。

雅库巴·努胡·查韦耶（Yacouba Nouhou Chaweye）| 玛丽·布歇（Marie Boucher）| 吉约姆·法夫罗（Guillaume Favreau）| 布卡里·伊苏福·乌斯曼（Boukari Issoufou Ousmane）| 拉比卢·阿卜杜·马哈曼（Rabilou Abdou Mahaman）| 阿纳托利·列格琴科（Anatoly Legchenko）| 亚哈亚·纳祖穆（Yahaya Nazoumou）

尼日尔尼亚美阿卜杜·穆穆尼大学（Université Abdou Moumouni de Niamey）科学与技术学院地质系

摘要

在非洲的干旱地区，为了可持续和平衡地利用地下淡水资源，越来越需要详细了解含水层的特性。在这些地区，大部分水资源储存在大型沉积盆地中，但嵌入在其地质框架中的含水层边界往往知之甚少。通过对井和钻孔数据的综合分析，并结合约40次磁共振（Magnetic Resonance）与时域电磁（Time-Domain Electromagnetic）探测的非侵入性地球物理调查，确定了尤勒梅登盆地（Iullemmeden Basin，面积约3000平方公里，位于尼日尔中南部）上高原的含水层特征、空间边界及其相互关系。研究结果表明，第四纪冲积层含水层与上游的上白垩统砂质粘土含水层、中坡的古新世石灰岩含水层以及下游的渐新世砂岩含水层之间存在水力连通性。渐新世砂岩含水层和古新世石灰岩含水层的东边界比以往研究假设的范围向外延伸了约20公里。该含水层的有效孔隙度范围为4%至37%，其渗透率从上游到下游分别为约10^-4 m^2/s至约2×10^-3 m^2/s。这种非侵入性调查方法对于改善大型多层沉积盆地边缘地区的精细尺度地下水开发政策具有成本效益，因为这些地区的含水层边界通常难以界定。

引言

在非洲的干旱地区，由于地表水资源天然匮乏，大部分可用的淡水都储存在含水层系统中，这些含水层是可持续发展战略的关键自然资源（非洲联盟，2020年）。实现可持续发展目标（SDGs）的道路在很大程度上依赖于与地下水相关的指标，这需要了解地下水的质量和数量（Velis，2017年；Ciampi等人，2022年；Issoufou Ousmane等人，2023b年）。在大陆尺度上，大型跨界沉积含水层储存了大部分地下水（MacDonald等人，2012年；Ó Dochartaigh，2021年）。在精细的空间尺度上，更深入地了解含水层结构对于通过灌溉（Altchenko和Villholth，2015年；Nazoumou等人，2016年）和家庭用水（Hassane等人，2016年；Lapworth等人，2020年）促进农村发展至关重要，同时也有助于维护依赖地下水的生态系统（Abdou Mahaman等人，2023年；Rambhunjun等人，2024年）。

在西非的萨赫勒地区，主要沉积盆地中心的含水层相对较厚且多孔（Ó Dochartaigh，2021年）；而在其外部边界附近的情况通常更为复杂。例如，在无水流含水层边界附近，由于多种因素的综合作用（如地貌过程（Deyassa等人，2014年）、沉积物的大陆或海洋起源（Quiroga等人，2022年）或含水层隔水层高度的突然变化（Burri和Bocoum，1991年；Kemgang Dongmo等人，2019年），不同沉积层之间的地下水潜力往往难以界定。

尤勒梅登盆地是一个面积约为62万平方公里的萨赫勒-撒哈拉大陆内部沉积盆地，涵盖了马里、阿尔及利亚、尼日尔和贝宁的部分地区，并与西非裂谷系统（Kogbe，1991年；Lawal和Hassan，2023年）相连。该盆地由一系列厚度超过2000米的沉积含水层组成，主要形成于中生代至第三纪时期（Moody，1997年），第四纪含水层则出露在尼日尔河系统的多个古河谷中（Favreau等人，2012年）。

尤勒梅登盆地上高原（海拔约500米）是该盆地人口最密集的地区之一（每平方公里约100人），尽管含水量有限，但地下水抽取量非常大，因为它是唯一的常年可用淡水来源。自20世纪80年代初以来，该地区在土壤和水资源管理（SWC）以及灌溉农业方面取得了显著发展（Di Vecchia等人，2007年）。这里还是重要的矿业开发区域，自20世纪60年代以来已有多家矿业公司（主要开采碳酸盐矿物；Lang等人，1990年；Dikouma等人，1994年）和企业入驻（世界银行，2021年），这可能导致地下水抽取量增加以满足不断增长的需求。当地浅层地下水位、相对陡峭的地形（坡度约3-5‰；Sauvel，1966年）以及集中的补给过程（Issoufou Ousmane等人，2023b）等因素可能导致较高的补给率（Zouari等人，2024年），从而增加了地下水污染的风险。这些问题（高地下水使用率、地下水质量对环境变化敏感）因含水层缓冲能力有限而更加严重，尽管其具体特性仍不甚清楚。以往的研究主要集中在理解区域地质和水文地质情况，使用的剖面图和地图主要基于分散的钻孔数据集（Tirat，1964年；Boeckh，1965年；Greigert，1966年；Greigert和Bernert，1979年），这使得难以准确确定含水层的厚度、范围、性质及其水力关系。大多数研究假设存在不透水或几乎不透水的连续表层（例如Sauvel，1966年；Greigert，1967年），并未考虑含水层之间的侧向流动、补给和排放过程。鉴于最近钻探的钻孔数据较少，人们开始采用非侵入性技术来填补含水层知识方面的空白。

选定的研究区域（马吉亚山谷）具有代表性，其地质背景（海洋和大陆地层的交替分布以及多个地质层的边界）使得能够准确研究粘土层的分布，这是识别含水层及其相互关系的关键参数。为此，本研究主要采用了非侵入性地球物理电磁方法（TDEM）结合磁共振探测（MRS）技术。TDEM方法以其能够精确绘制深层导电层的能力而闻名（Fitterman和Stewart，1986年；Goldman等人，1994年；Guérin等人，2001年；Kafri和Goldman，2005年）。MRS方法在研究含水层的水动力特性方面也非常有效（例如Legchenko等人，2008年；Vouillamoz等人，2012年）。这两种方法的结合已被证明在某些萨赫勒沉积盆地中有效量化了地下水资源（例如Boucher等人，2009a年；Abdou Mahaman等人，2023年；Issoufou Ousmane等人，2023a年针对尤勒梅登盆地；Descloitres等人，2013年；Kemgang Dongmo等人，2019年针对乍得湖盆地）。然而，在复杂的地质框架和含水层关系中开展流域尺度研究对这种方法来说是一个新的挑战，可能会显著扩展其应用范围。

本文旨在更准确地估算尼日尔尤勒梅登盆地跨界边界处的地表水-地下水流动模型。利用非侵入性地球物理技术可以实现对含水层边界及其关系的精细空间分辨率（约10^2至10^3米）的测绘，这种精度是使用环境示踪剂和流体动力学数据组合方法（例如Petitta等人，2010年；Barbieri等人，2023年；Zouari等人，2024年）无法实现的，因为后者需要预先在景观中的离散位置进行钻孔采样。

在本研究中，我们结合了MRS和TDEM地球物理调查以及钻孔和井数据分析，以确定上高原东侧不同含水层的特性，从而更精确地绘制出非饱和含水层的范围。具体目标包括：i) 确定尤勒梅登盆地上高原东侧含水层的空间边界；ii) 该地区含水层之间的相互关系；iii) 地下水流动方向。本文的结构如下：第2部分描述了研究区域和主要特征；第3部分介绍了材料和方法，包括采样和调查策略；第4部分展示了主要结果，并根据初始假设进行了讨论；第5部分总结了主要结果及其在全球范围内的意义。

研究区域

研究区域位于扩展的尤勒梅登盆地的中心部分（图1a）。它构成了尼日尔部分的马吉亚跨界河流盆地（Maggiia transboundary river basin），该盆地由尼日尔和尼日利亚共同拥有（图2），同时也是尼日尔塔卡（Tarka）和巴达吉奇里（Badaguichiri）河流盆地的一部分（图2a）。该地区的河流为季节性河流，7月至9月有水流，由于河流上的水坝作用，下游的水流逐渐减少。其地貌特征为崎岖不平

时域电磁探测（TDEM）

TDEM是一种地球物理方法，通过测量电磁场在介质中的瞬态散射来确定岩石的电阻率与深度的关系（Nabighian和Macnae，1991年；Descloitres等人，2013年）。这种电阻率可以与地下水的电导率、含水量、总孔隙度或粘土含量相关联（Kafri和Goldman，2005年；Descloitres等人，2013年）。因此，它是表征含水层的重要参数（Kemgang Dongmo等人

地质剖面（从上游到下游）

从上游到下游的地质剖面显示了从第四纪冲积层到下森诺曼统（Lower Cenomanian）泰加玛砂岩系列的沉积序列（图5a）。第四纪冲积层分布在河谷和支流中，由交替的粘土砂和砂质粘土组成，有时含有丰富的铁质元素，这些沉积物是由渐新世砂岩重新沉积形成的，底部含有砾石层。其厚度从上游到下游有所不同

含水层的分布和特性

从上游到下游观察到的地球物理和水文地质特性的变化可以归因于研究区域内含水层类型的多样性。实际上，地质特征表现为从第三纪末期尤勒梅登盆地抬升后，沉积物呈向西南方向分布（Greigert，1966年）。当前的地质构造形成了多个非饱和和饱和含水层的叠加

结论

这项基于地质学、地球物理学（MRS和TDEM）及水位测量的多学科研究，使我们能够估算尤勒梅登盆地渐新世砂岩和古新世海洋沉积层东侧的地下水潜力（缓冲能力和对污染的敏感性）：

• •
  浅层含水层的空间边界比以往研究更加精确地被绘制出来。例如，渐新世砂岩含水层的边界向上游延伸了约20公里

作者贡献声明

雅库巴·努胡·查韦耶（Yacouba Nouhou Chaweye）：撰写初稿。阿纳托利·列格琴科（Anatoly Legchenko）：指导。拉比卢·阿卜杜·马哈曼（Rabilou Abdou Mahaman）：研究工作。亚哈亚·纳祖穆（Yahaya Nazoumou）：指导。吉约姆·法夫罗（Guillaume Favreau）：指导。玛丽·布歇（Marie Boucher）：指导。布卡里·伊苏福·乌斯曼（Boukari Issoufou Ousmane）：研究工作

未引用参考文献

Bank, 2021; Legchenko等人，2002a; Legchenko等人，2002b; Legchenko等人，2009a; Legchenko等人，2009b; Trushkin等人，1995.

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文的已知利益冲突。

致谢

本研究是由CACG（加斯科涅山坡治理公司，Compagnie d’Aménagement des Coteaux de Gascogne）开展的专业项目，博士论文得到了尼日尔政府（State of Niger）和可持续发展研究所（IRD）的共同资助。我们感谢Marc Descloitres在TDEM数据反演方面的贡献。作者还感谢国家农业水利发展办公室（ONAHA）提供的灌溉区使用便利。